ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA RÔ TO LỒNG SÓC VỚI SỐ LIỆU BAN ĐẦU

Nội dung các phần thuyết minh và tính toán : Xác định kích thước chủ yếu ,thiết kế dây quấn lõi sắt stato và roto,tính toán tham số của động cơ ở chế độ làm việc bình thường,tính tổn ha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

1 Nhiệm vụ thiết kế:

Thiết kế động cơ điện không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc với các số liệu ban đầu như sau:

1.Công suất định mức : Pđm =1.1 kw 2.Điện áp dây định mức: Uđm =Y/ =380 /220 V 3.Tốc độ đồng bộ: n1 =1500 vg/ph 4.Tần số định mức : f =50 Hz 5.Hiệu suất: =80 % 6.Hệ số công suất : Cos=0

7.Kiểu kín IP44

8.Chế độ làm việc dài hạn

9.Cấp cách điện

Còn các thông số khác phải phù hợp với tiêu chuẩn nhà nước

2 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :

Xác định kích thước chủ yếu ,thiết kế dây quấn lõi sắt stato và roto,tính toán tham số của động cơ ở chế độ làm việc bình thường,tính tổn hao,tính đặc tính làm việc và đặc tính mở máy

Một bản vẽ tổng lắp ráp(cắt hoặc dập 1/4)

Giáo viên hướng dẫn Thông qua bộ môn

CHƯƠNG 1.

XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

Những kích thước chủ yếu của MĐKĐB là đường kính trong lõi sắt stato (D), chiều dài lõi sắt l Mục đích của việc chọn kích thước này là để cho máy điện, chế tạo có tính kinh tế và hợp lý cao, phù hợp với tiêu chuẩn Nhà nước và đồng thời tạo điều kiện cho việc chế tạo được dẽ dàng

Sự liên quan giữa các hệ số kết cấu D và L được thể thiện qua công suất hằng số Arnol :

CA =

' p

n ls

dq s 3

Với : Ks: hệ số sóng của đường cong từ trường

Kdq: hệ số dây quấn stato

 : hệ số bước cực

l : chiều dài tính toán của lõi suất

D : đường kính trong stato P’: công suất điện từ

f 60

1

1





2 Đường kính ngoài stato

Đường kính ngoài tính ra tải được qui về trị số tiêu chuẩn, việc này là dựa theo sự lợi dụng triệt để các tấm tôn silic đồng thời kết hợp để cho khi hai công suất máy có đường kính ngoài thì quan hệ giữa D và l nằm trong phạm vi kinh tế nhất Ngoài ra điều này còn có tác dụng làm cho việc sản xuất được đơn giản hơn

Theo bảng IV.2 phụ lục IV (sách thiết kế máy điện Trần Khánh Hà - 2001) với máy có công suất Pmax= 22 kW và số đôi cực 2p = 4 nên ta chọn máy có chiều cao tâm trục h = 180 mm

Từ đó theo bảng 10.3 (sách trên) ta chọn được đường kính ngoài:

Dn= 31,3 cm

3 Đường kính trong stato

Đường kính ngoài tỷ lệ với đường kính trong theo công thức:

D = KD.Dn

Với máy có số đôi cực 2p = 4 thì theo bảng 10.2 ta chọn được:

KD = 0,64 0,68  D = (0,64 0,68).Dn = 20,03  21,28 (cm)

K E

Trong đó : P : công suát định mức

KE: hệ số chỉ quan hệ giữa điện áp đặt vào với suất điện động sinh ra trong máy KE =

1

1

u E

Thông thường KE = 0,94  0,98 Sơ bộ ta chọn KE = 0,94 dựa vào hình10.2 ( sách trên )

Vậy : P’ =

85 , 0 9 , 0

22 97 , 0

= 27,9(kw)

5 Chiều dài tính toán của lõi sắt stato:

l =

1 2 7

'.10.1,6

n D B A K K

Kdq : hệ số dây quấn được chọn theo kiểu dây quấn, ở đây ta chọn kiểu dây quấn 2 lớp 2p = 4 nên ta chọn Kd = 0,91

Với T = 16,48 ta chọn được giá trị của A và B

Theo hình 2.4 (TK Trần Khánh hà 1980)

)/(340

T B

cm A A



Vậy:

l =

1500.21.67,0.340.09,1.715,0.91,0

9,27.10.1,6

2

7

= 15,92 (cm)

Lấy l = 16cm

Trong máy điện KĐB khi lõi sắt ngắn hơn 25 cm việc tản nhiệt không mấy khó khăn nên lõi thép có thể đúc thành một khối Do đó chiều dài tính toán trên khe hở không khí bằng chiều dài thực lõi sắt

Vậy chiều dài lõi sắt stato, roto bằng 18 (cm)

6 Lập phương án so sánh:

Việc chọn D và l cho một máy không phải chỉ đạt được 1 nhóm trị số Ta có thể chọn D lớn l ngắn hay D ngắn l dài, những trường hợp này đều có thể thảo mãn yêu cầu về tính năng máy Vì vậy, việc lập phương án dựa trên tình hình sản xuất để chọn ra một phương án toàn diện nhất

Quan hệ giữa D và l với cùng một loại máy có liên quan đến tính năng và chỉ tiêu kinh tế được biểu diễn bằng quan hệ  = l/ T

Đối với máy ta đang chế tạo có:

 = l/ T = 18,04/16,48 = 1,09 Trong răng động cơ công suất 22 kW có cùng đường kính ngoài với máy có công suất 18,5KW Hệ số tăng công suất  = 18,5/22 = 0,84

Do đó  của máy 18,5 kW là:

18,5 = .22 = 0,84.1,09 = 0,91 Theo hình 10.3b (TK Trần Khánh Hà 2001) hai hệ số này đều nằm trong phạm vi kinh tế, do đó việc chọn phương án này là hợp lý

7 Dòng điện pha định mức

) A ( 5 , 43 85 , 0 9 , 0 220 3

10 22 cos

U 3

10 P I

3 1

CHƯƠNG 2

DÂY QUẤN, RÃNH STATO, KHE HỞ KHÔNG KHÍ

I LÕI QUẤN STATO.

Lõi sắt stato là phần vật liệu dẫn từ Từ trường qua máy là từ trường quay cho nên nẩy sinh ra tổn hao do dòng điện xoáy và hiện tượng từ trễ Để giảm tổn hao do này lõi sắt stato thường được làm bằng những lá tôn silic ghép lại thành 1 khối Do cách chế tạo như vậy nên không thể ép các lá tôn chặt như một khối thép cho nên người ta sử dụng đến hệ số ép chặt Kc, để biểu diễn độ ép chặt Đây là tỷ số biểu diễn chiều dài thực và chiều dài hình học của lõi sắt Trong máy điện thường dùng lá tôn dày 0,5 mm và hệ số ép chặt Kc = 0,95

II XÁC ĐỊNH SỐ RÃNH TRÊN LÕI SẮT STATO:

Đối với động cơ đang chế tạo có công suất 22 kW, ta dùng dây quấn hai lớp, khi thiết kế dây quấn ta phải xác định số rãnh của mỗi pha dưới 1 cực q

Ta chọn q = 3 vì máy đang xét có tốc độ thấp, công suất vừa Việc chọn q này có ảnh hưởng đến số rãnh stato Z1 Nếu chọn q lớn thì sẽ làm cách điện yếu Và độ bền có thấp, còn q bé thì sức tự động phản ứng sẽ có nhiều sóng bậc cao

Việc chọn q = 3, số nguyên như vậy sẽ cải thiện được đặc tính làm việc và khả năng giảm tiếng ồn

I

a t A

Với a1 : số đôi mạnh nhánh, với a1 = 4

5 , 43

4 831 , 1 9 , 3





r

U

Ta có dây quấn 2 lớp và số thanh dẫn là số nguyên nên ta chọn :Ur = 58

4 Số vòng dây trên 1 pha

87 4

58 3 2 a

U q p W

1

r 1 1

1





III DẠNG RÃNH STATO, DÂY QUẤN STATO.

Dạng rãnh phụ thuộc vào thiết kế điện từ và loại dây dẫn rảnh phải được thiết kế sao cho có thể cho vừa số dây dẫn thiết kế cho một rãnh kể cả cách điện và công nghệ chế tạo để mật độ từ thông trên răng và gông không lớn hơn một trị số nhất định để đảm bảo tính năng của máy

Đối với máy đang chế tạo có h = 180 mm thì

- Mật độ từ thông gông nằm trong phạm vi (1,45  1,6) T

AJB = (25  30)%

Dựa vào hình 10.4b (TK Trần Khánh Hà 2001) ta chọn

AJB = AJF = 1850 Vậy : J1 = AJ1/A = 1850/340 = 5,44(A/cm2)

Tiết diện dây :

) ( 52 , 3 44 , 5 2 4

5 , 43

a I

2

' 1 1 1

1 /

1

mm

J n

1.Kiểu dây quấn

Chọn kiểu dây quấn xếp 2 lớp bước ngắn

4

36 83 , 0 2

p Z

Chọn y = 7

Hệ số trước  = y/ T = 7/9 = 0,83

2 Hệ số dây quấn

Ky = sinp 0 , 968

2

9

) 2 3 sin(

2 sin 2 sin

Với  là góc độ điện (góc lệch giữa 2 rãnh liên tiếp)

36

360 2 360

1





Z p

xU

K E

013 , 0 75 50 09 , 1 4

220 97 , 0

.

10 013 , 0 t.l

K l B

t l B b

.

.

1 1

1 1 1

831 , 1 18 615 , 0

10.013,0

2

10

1 1

4

cm K

l



Với q1: Mật độ từ thông trong gông, ta chọn Bq1=1,5T

7 Kích thước rãnh và cách điện

Miệng rãnh: b41= dcd+1,5=1,24+1,5=2,74 (mm)

Chiều cao miệng rãnh: h41= 0,5 (mm)

Chiều cao của cả rãnh:

cm Z

Z b h D

08 , 1 14

, 3 36

36 658 , 0 05 , 0 2 21 14 , 3

.

2 1

1 1 41

 

cm Z

Z b h D

49 , 1 14

, 3 36

36 658 , 0 54 , 2 2 3 , 31 14 , 3

.

2 1

1 1 2

54 , 2 2 21 3 , 31 2

2

1

cm

h D D

) ( 290

) 15 10 ( 13 5 , 0 ) 15 10 ( 8

14 , 3

) ( 5 , 0 ) (

2

2 2

2 1 12 2

2 2 1

mm

d d h d

2 2

1 2

1 12

15 14 ,

mm

S S

24 , 1 2 58

.

2

2 1

d

d u u K



Trị số của hệ lắp đầy Kd = 0,704  phạm vi 0,7  0,75 là dãy giá trị hợp lý nhất Vì nếu Kd lớn hơn 0,8 việc lồng dây vào rất khó khăn và nếu Kd nhỏ quá thì sẽ không lợi dụng được triệt để rãnh và khi máy làm việc thì lực này

8 Bề rộng răng stato:

) ( 927 , 0

1 36

0 , 1 05 , 0 2 21 14 , 3

2

1 1

1 4 /

1

cm

d Z

d h D

5 , 1 36

3 , 1 05 , 0 2 21 14 , 3

2

2 1

1 4 //

1

cm

d Z

d h D

6

1

D D

h n r

) ( 8 , 2

5 , 1 6

1 6 , 2 2

21 3 , 31

4

9 1 1200 21

1 1200

mm

Zp

g D

II.CHỌN RÃNH ROTO:

1 Chọn số rãnh roto

Việc chọn số rãnh của động cơ roto lồng sóc có quan hệ rất lớn đến moment phụ Các loại moment này do từ thông bậc cao của stato và roto gây

ra Để giảm biên độ sóng bậc cao ta có thể dùng phương pháp chế tạo rãnh nghiêng trên roto, điều này có thể giúp cho sự phối hợp rãnh stato và roto đa dạng hơn Việc chọn số rãnh roto được nên trong bảng 10.6, đây là kết quả của sự nghiên cứu, lý luận và cơ sở thực tế, theo đó ta có thể lựa chọn số rãnh roto thích hợp để hạn chế các moment phụ và tiếng ồn ta chọn Z2 = 28

2.Chọn dạng rãnh roto:

Việc thiết kế dạng rãnh cũng là xác định diện tích rãnh tương đương việc thiết kế diện tích thanh dẫn của lồng sóc Do sự liên quan giữa điện kháng, điện trở của roto với dạng rãnh roto, nên việc chọn dạng rãnh trực tiếp ảnh hưởng đến tính năng của máy

Theo hình 10.8 ta chọn dạng rãnh hình ovan với các số liệu:

III ĐƯỜNG KÍNH NGOÀI VÀ ĐƯỜNG KÍNH TRỤC

1 Đường kính ngoài rôto:

D’ = D - 2

= 21 - 2.0,06 = 20,08 (cm)

2 Đường kính trục rôto:

D’ = 0,3D = 0,3.21 = 6,3(m) Vậy Dt = 6 (cm)

3 Bước răng stato:

)(25,228

08,20.14,3

'

2 2

cm Z

D t

2

5.5,03,32

608,20

cm cm

d h

D D

IV.VÀNH NGẮN MẠCH ROTO:

Vành ngắn mạch là vành nối các thanh dẫn trong rãnh lại với nhau, ta thường chọn chiều cao vành ngắn mạch lớn hơn một ít chiều cao rãnh

1.Dòng điện trong thanh dẫn roto: (dây pha)

2

1 2

.6

Z

k w I

K I

A

2.Dòng điện trong vành ngắn mạch:

2.180sin.2660

)sin(

2

2

A Z

5 Kích thước vành ngắn mạch:

Chiều cao vành ngắn mạch thường lấy cao hơn chiều cao rãnh roto:

6 Cánh quạt trên vành ngắn mạch:

Ở 2 vành ngắn mạch thường đúc liền cánh quạt kích thước và số cánh được lấy từ bảng 10.7 và hình 10.9 (thiết kế TKH 2001) ta có:

7 Độ rộng của răng roto : ở 1/3 chiều cao

4 h ' D

2

12 42

3

4 05 0

) - 0.55 = 1,205 (cm)

7 Độ nghiêng của rãnh roto:

Để giảm lực ký sinh từ và khử các sức từ động bậc cao ta thường làm nghiêng rãnh roto một bước văng stato:

CHƯƠNG 4

TÍNH TOÁN MẠCH TỪ.

Tính toán mạnh từ là xác định sức từ động cần thiết đã tạo ra ở khe hở không khí một từ thông có thể sinh ra sức điện động đã xác định trong phần ứng Nếu ký hiệu sức điện động của mạch từ là F thì với mạch từ gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau nên theo định luật toàn dòng điện ta có

F=Hl=hxlx=Fx=I w

Hxlx : cường độ từ trường (A/cm) và chiều dài của 1 đoạn x

Fx : sức từ động mạnh của x

Mạnh từ của máy điện có thể chia làm 5 đoạn : khe hở không khí, răng ( của cực từ )của roto, gậy roto, răng ( cực từ ) stato, gông ( lũy phản ứng ) stato

Muốn tìm sức từ động của các đoạn mạch, chỉ cần tìm chiều dài và mật độ từ thông của các đoạn mạch đó là được

I.SỨC TỪ ĐỘNG KHE HỞ KHÔNG KHÍ

1 Hệ số khe hở không khí

K = K1 K2Với K1, K2 : là hệ số khe hở K2 do răng rảnh stato, roto gây ra

Ta có : K1 = t1/t2 - D1 

Với : D1 =



 / 5

) / (

41

2 41

) 96 / 74 , 2

) / (

42

2 42

) 6 , 0 / 5 , 1

+Đo trên khe hở không khí , cường độ từ trường H = o.B=0,8.B với

H(A/cm), B(gauxơ) và do mạch từ đi qua 2 khe hở nên sức từ động khe hở không khí :

F=2.H’

= 2.0.8.B.K.

= 1,6.0.615.1.1.0.6.104

= 649 (A)

II SỨC TỪ ĐỘNG TRÊN RĂNG STATO, ROTO:

1.Mật độ từ thông của răng stato

t l B

831 , 1 16 615 , 0

+ 649 Trị số này, gần bằng trị số KZ Ta đã chọn ( KZ = 1,225 ) Vậy ta giữ nguyên trị số này để tính toán

III.SỨC TỪ ĐỘNG TRÊN GÔNG STATO, ROTO

1.Mật độ từ thông trên gông stato:

) ( 527 , 1 95 , 0 16 8 , 2 2

10 013 , 0

2

10

4 1 1 1

4 1

T

K l h

B

c g g





2.Cường độ từ trường của gông stato:

Cường độ từ trường của gông stato phụ thuộc vào mật độ từ trường trên gông stato Hg1 = f ( Bg1 ) trên bảng V.9 phụ thuộc V ( TK TK Hà 2001)

Hg1 = 9,82 ( A / cm )

3.Chiều dài mạch từ trên gông stato:

) ( 4 , 22 4

) 8 , 2 3 , 31 ( 14 , 3

2

1 1

cm p

h D

10

2 2

4



95 , 0 16 4 2

10 013

) 4 6 ( 14 ,

=7,85 (cm)

8 Sức từ động trên gông từ:

Fg2=Lg2.Hg2 =7,85.3,11=24,4 A

9 Tổng sức điện động của mạch từ:

F=F+F21+F22+F1+Fg2

10 Hệ số bão hòa mạch từ:

=15,2

11 Dòng điện từ hóa:

I=

1 1

7 ,

PF

=

925 , 0 87 7 , 2

6 , 988 2

1 , 9

.100=20,9%

2, C’2 thay đổi rõ rệt Sau đây ta xét đến sự thay đổi của các tham số đó

Sự thay đổi của các tham số x0 do hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện

Để cải tiến đặc tính khởi động bằìng cách lợi dụng hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện  thường dùng rãnh dây để tăng điện trở r2 lúc khởi động nhưng cũng giãm điện kháng vì tổng các ống từ tại rãnh giãm xuống Khi mở máy do hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài (tần số cao, dòng điện tập trung lên phía trên rãnh).Vì vậy ta xác định độ sâu qui đổi hr của rãnh và trên cơ sở đó xác định được chiều sâu qui đổi của rãnh hx dẫn đến xác định điện kháng của thanh dẫn

Hr=



 1

q

; hx=a.

Với a : chiều cao của thanh dẫn trong rãnh

Hệ số ,  xác định theo đường cong hình 10-13 (TK TKH 2001) và chiều cao tương đối:

10

s : hệ số trượt b/br : tỷ số bề rộng thanh dẫn và rãnh với roto đúc nhôm : b/br=1 S: Điện trở suất của thanh dẫn

Với f1=50 hz , nhiệt độ dây quấn t0 = 75 0C thì s = 1/263

7 ).

6 , 2 21 ( 14 , 3

Z

y h

56 , 7 057 , 1 4 2

89 , 63 46

1 S a n

l r

1 1

1 ts

10 16 23

D

.

10

10 4 9 , 16 14 , 3 23

) 445 , 0 (

01336 , 0 2 404 ,

1 ( )

4

Z

K W

m d





2775 28

) 925 , 0 87 (

3

2 = r’

2 1

3 Hệ số từ dẫn tản rãnh stato:

/ 41

4 2 41 1

2 2 785 , 0

b

h b

h b

b K

3 1 ' 4

3 4

d (

5 , 0 10

7 , 3 10 2

74 , 2 715 , 0 ( 8125 , 0 10 3

6 , 3 2

2 1 1

.

) ( 9 ,

q K q

06 , 0 831 , 1

274 , 0 033 , 0 1

033 , 0 1

2 1

41 2



t

b K

06 , 0 1 , 1

) 925 , 0 3 ( 831 , 1 9 , 0

16

3 34 , 0

64 , 0 (

34 ,

6 Hệ số từ tãn dẫn stato:

293 , 4 763 , 0 41 , 2 12 , 1

1 1 1 1

16 ) 100

87 ( 100

50 158 , 0

.

100

) ( 100

1 158 , 0

2

1 1

2 1 1

l w f x

135 , 0 220

5 , 43 684 , 0

1 1

8 Hệ số từ dẫn tản rãnh roto:

42

42 42

2 c

2 1

2 r

b

h K b

b 66 , 0

8

b 1 b

223 , 2 5 , 1

5 , 0 1 5 , 5 2

5 , 1 66 , 0 2 , 172 8

5 , 5 14 , 3 1 5 , 5 3

8

2 42 2 2 2 2 2 2

K

K K

, 0 1 , 1

0229 , 0 1 1 ) 833 , 0 33 , 2 ( 25 , 2 9 ,

96 , 3 2 1 , 2

94 , 16 7 , 4 4452 , 0 16 28

94 , 16 3 , 2

2

7 , 4

3 , 2

2 2 2 2

l

b a

Dv l

l Z

Dv



11.Hệ số từ tản phần rãnh nghiêng:

876 , 0 ) 25 , 2

831 , 1 (

646 , 2 5 , 0

) ( 5 , 0

2

2 2 2 2

14 , 6

876 , 0 395 , 0 646 , 2 223 , 2

2 2 2 2

220

5 , 43 0767 , 1

.

1

dm u

684 , 0 1 , 9 220 1

Tính theo đơn vị tương đối:

X12/* = x12 4 , 645 ( )

220

5 , 43 49 ,

684 , 0 1 , 9 220

1

1 1

u 

Trị số gần bằng trị số (KE = 0,97) đã giả thiết ban đầu nên ta không phải tính lại

CHƯƠNG 6

TÍNH TOÁN TỔN HAO.

Máy điện khi làm việc sinh ra tổn hao Những tổn hao này càng lớn thì hiệu suất máy càng thấp Mặt khác tổn hao thoát ra dưới dạng nhiệt năng làm cho máy bị nóng, điều này sẽ làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ của cách điện Tổn hao trong động có điện gồm các loại sau :

- Tổn hao sắt trong stato và roto bao gồm tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy của từ trường sinh ra trong lõi sắt

- Tổn hao cơ gồm tổn hao ma sát ở ổ bi, tổn hao thông gió và ma sát ở vành trượt

- Tổn hao đồng trên dây quấn

- Tổn hao phụ do từ trường tản gây nên trong dây quấn phần ứng làm tăng thêm tổn hao về đồng tổn hao phụ trong các bộ phận cơ khí

I TÍNH TOÁN TỔN HAO THÉP:

1 Tổn hao chính trong thép:

Các tổn hao chính trong thép vì từ trễ và dòng điện xoáy suất hiện đồng thời Nguyên nhân là do hiện tượng từ hóa xoay chiều gây ra tổn hao chính trong thép phụ thuộc vào loại thép và đặc trưng bởi suất tổn hao PFe = [ W/kg]

P1/50: suất tổn hao thép ở tần số từ hóa f = 50 và mật độ từ thông B=1 (T)

a Suất tổn hao trong răng stato:

PFe = Kgc PFeZ1 BZ12 GZ1 10-3 Với : GZ1 : trọng lượng răng stato:

GZ1 =  Z1.hr1.l1.br1.KC.10-3 = 7, 8.36.2,6.16.0,747.0,95.10-3 = 8,29 kg

Gg1 =  l1 lg1 hg1 2p Kc1 10-3